摘 要：CCD是一種將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕钠骷?，適用于精確控制。在神光原型系統(tǒng)中CCD圖像采集系統(tǒng)在使用過程中出現(xiàn)了數(shù)據(jù)擁塞等問題，改進(jìn)的CCD采集系統(tǒng)的總體設(shè)計采用基于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的思路，用帶有千兆以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)接口的網(wǎng)絡(luò)CCD作為一個智能終端直接與工業(yè)以太網(wǎng)連接，并且只有有權(quán)限的計算機(jī)才可以訪問CCD，使得系統(tǒng)成為一個控制簡單可靠、智能化的系統(tǒng)。試驗證明采用該設(shè)計方法可以提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率和可靠性，解決了網(wǎng)絡(luò)擁塞的問題。
關(guān)鍵詞：CCD；以太網(wǎng)；精確控制；網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；FEP

    電荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)是由一種高感光度的半導(dǎo)體材料制成，能把光線轉(zhuǎn)變成電荷，通過模／數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，數(shù)字信號經(jīng)過壓縮后由相機(jī)內(nèi)部的閃速存儲器或內(nèi)置硬盤卡保存，因而可以輕而易舉地把數(shù)據(jù)傳輸給計算機(jī)，并借助于計算機(jī)的處理手段，根據(jù)需要和想象來修改圖像。
    CCD由許多感光單位組成，通常以百萬像素為單位。當(dāng)CCD表面受到光線照射時，每個感光單位會將電荷反映在組件上，所有的感光單位所產(chǎn)生的信號加在一起，就構(gòu)成了一幅完整的畫面。
    CCD實現(xiàn)了非電量的電量測量，同時它還具有體積小、重量輕、噪聲低、自掃描、工作速度快、測量精度高、壽命長的特點(diǎn)，因此受到人們的高度重視，在精密測量、非接觸無損檢測、文件掃描與航空遙感等領(lǐng)域中，發(fā)揮著重要作用。

l 系統(tǒng)概述
    該裝置是國家重要研究項目，主要由主控系統(tǒng)、服務(wù)子系統(tǒng)、底層控制系統(tǒng)組成，圖像采集與傳輸系統(tǒng)是該裝置底層控制系統(tǒng)的一部分，主要實現(xiàn)光束自動準(zhǔn)值、圖像分析以及對某些重要位置的視頻實時監(jiān)視、自動記錄和回放檢索。圖像采集與傳輸系統(tǒng)由步進(jìn)機(jī)構(gòu)、光學(xué)系統(tǒng)、CCD、準(zhǔn)值前端處理器、現(xiàn)場控制中心等組成。該系統(tǒng)中共有3種不同類型的CCD，分別是科學(xué)級CCD、準(zhǔn)直CCD、大靶面CCD。通常科學(xué)研究上使用的CCD稱為科學(xué)級CCD，科學(xué)級CCD既用于近場圖像的分析又作為自動準(zhǔn)直的測量點(diǎn)，準(zhǔn)直CCD主要作為自動準(zhǔn)直測量點(diǎn)，大靶面CCD主要用于視頻的實時監(jiān)視。

2 系統(tǒng)設(shè)計
    該系統(tǒng)是在原型系統(tǒng)的基礎(chǔ)上優(yōu)化改進(jìn)的。原型系統(tǒng)中采用普通CCD，帶有圖像采集卡和網(wǎng)卡的工控機(jī)連接到100 Mb／s光纖網(wǎng)上，工控機(jī)同時也通過運(yùn)動控制卡控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動，CCD是步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載，通過步進(jìn)電機(jī)的調(diào)節(jié)實現(xiàn)CCD的準(zhǔn)值。當(dāng)系統(tǒng)準(zhǔn)值時。主控向控制層發(fā)送采集圖像命令，工控機(jī)上的圖像采集卡通過CCD采集數(shù)據(jù)，并進(jìn)行圖像處理，將處理后的圖像傳給準(zhǔn)值FEP(Fronted—End Process)，準(zhǔn)值FEP計算準(zhǔn)值中心并確定步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)并將該脈沖術(shù)通過運(yùn)動控制卡驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動來實現(xiàn)準(zhǔn)值。實現(xiàn)監(jiān)視功能時將采集的圖像處理后通過以太網(wǎng)傳輸給主控計算機(jī)。系統(tǒng)運(yùn)行時網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸量大，傳輸?shù)穆烦梯^長，同時，所有的數(shù)據(jù)都是通過工控機(jī)上的網(wǎng)卡傳輸?shù)?，一旦網(wǎng)卡、工控機(jī)、FEP任何一個出現(xiàn)故障，則這個控制節(jié)點(diǎn)的所有數(shù)據(jù)都將丟失。
    模塊內(nèi)的CCD一方面為參數(shù)測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)測量提供原始圖像，另一方面也為自動準(zhǔn)直系統(tǒng)完成自動準(zhǔn)直提供圖像。針對該項目中CCD采集系統(tǒng)的設(shè)計依據(jù)總體的設(shè)計規(guī)范、控制系統(tǒng)的總體框架和試驗得出的結(jié)論以及原型系統(tǒng)工作中出現(xiàn)的問題，改進(jìn)的CCD采集系統(tǒng)的總體設(shè)計思路是基于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。將普通CCD改為網(wǎng)絡(luò)CCD直接連接到工業(yè)以太網(wǎng)，同時網(wǎng)絡(luò)CCD自帶圖象處理功能，所有的控制FEP通過主控系統(tǒng)授權(quán)均可訪問該CCD。
    PLC因其可靠性高、功能強(qiáng)大、使用方便、編程簡單、抗干擾強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)控制領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，而德國倍福PLC接線簡單、可靠性高、成本較低、實現(xiàn)簡單，故將原型系統(tǒng)中控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動控制卡改用倍福PLC。
    工業(yè)以太網(wǎng)，是指其在技術(shù)上與商用以太網(wǎng)(IEEE802．3標(biāo)準(zhǔn))兼容，但材質(zhì)的選用、產(chǎn)品的強(qiáng)度和適用性方面應(yīng)能滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要，即在環(huán)境適應(yīng)性、可靠性、安全性和安裝使用方面滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要。工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在：以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用廣泛，為所有的編程語言所支持；軟硬件資源豐富；易于與In—ternet連接，實現(xiàn)辦公自動化網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的無縫連接；可持續(xù)發(fā)展的空間大等。因此在控制底層采用了工業(yè)以太網(wǎng)以滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?br />    圖1是系統(tǒng)連接的結(jié)構(gòu)示意圖，步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載是CCD，CCD是可以向x，y軸方向移動，故一個CCD需要兩個步進(jìn)電機(jī)來控制。如圖1所示，所有的CCD直接連接到現(xiàn)場的工業(yè)以太網(wǎng)，PLC、自動準(zhǔn)值FEP和現(xiàn)場控制中心也直接連到工業(yè)以太網(wǎng)，CCD與同步系統(tǒng)以及電源管理系統(tǒng)連接。遠(yuǎn)場CCD和近場CCD都是準(zhǔn)值CCD，監(jiān)漂CCD是大靶面CCD。

    對CCD的IP地址的管理和控制賦予一定的權(quán)限，只有授權(quán)的用戶才可以調(diào)用CCD的圖像。同時考慮到現(xiàn)場所有的CCD都是在同一個外觸發(fā)信號下采集，采集完成后圖像保存在自帶的幀存儲器內(nèi)。對于多臺CCD都直接與工業(yè)以太網(wǎng)連接，如果CCD的圖像都上傳到網(wǎng)絡(luò)上，網(wǎng)絡(luò)流量增大，會造成網(wǎng)絡(luò)阻塞。因此，為了避免這個問題，在設(shè)計上要求CCD對于所采集到的圖像不是主動上傳到以太網(wǎng)，而是保存在自身的幀存儲器中等待授權(quán)用戶來調(diào)用，只有接收到調(diào)用指令后，CCD才把幀存中的圖像上傳。
    對于遠(yuǎn)場CCD和監(jiān)漂CCD，其主要功能是提供遠(yuǎn)場準(zhǔn)直和光路監(jiān)漂的圖像，圖像的質(zhì)量要求不是太高，因此對于其圖像傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)接口選用一般的電網(wǎng)口(RJ45)。對于科學(xué)CCD，考慮其不僅提供近場準(zhǔn)直，同時更主要的是滿足近場的精密測量，因此對于圖像的質(zhì)量要求高，圖像在傳輸過程中盡量減少干擾，避免帶來測量誤差。所以對科學(xué)CCD的網(wǎng)絡(luò)接口要求選用光纖網(wǎng)絡(luò)接口。光纖傳輸受到外界的電磁干擾比較小，對傳輸圖像影響小，確保圖像的完好性。

3 CCD采集系統(tǒng)具體的工作流程
    光路中的組件(如遠(yuǎn)場／近場透鏡、衰減器)要求有很高的定位精度和重復(fù)精度，以保證所有運(yùn)動組件的光軸偏差在許可范圍內(nèi)，同時要求調(diào)整方便、性能可靠。這些組件的精確定位都由位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)來完成。電動位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的控制由PLC、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電源(脈沖分配器和功率驅(qū)動)、步進(jìn)電機(jī)、機(jī)械傳動件等部分組成，電機(jī)驅(qū)動調(diào)整過程中，保證光學(xué)元件運(yùn)動的平穩(wěn)性、重復(fù)性、精度，避免振動導(dǎo)致光束控制的不確定性。具體的工作流程圖2所示。

    系統(tǒng)在準(zhǔn)值階段時，首先，系統(tǒng)上電后，通過軟件的信息交互對CCD進(jìn)行操作。一方面按照要求設(shè)置CCD的各種狀態(tài)參數(shù)；另一方面檢測CCD的工作狀態(tài)(加電等)是否完好。外觸發(fā)信號到來后，CCD曝光采集圖像，圖像保存在幀存儲器中，當(dāng)接收到網(wǎng)絡(luò)調(diào)用指令后，CCD通過網(wǎng)絡(luò)上傳所采集的圖像。其次，準(zhǔn)值FEP接收到圖像后計算應(yīng)加給步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)，并把這個脈沖數(shù)傳給PLC。再次，位置調(diào)節(jié)控制單元采用PLC作為中央處理中心，由PLC給出事先經(jīng)過計算的脈沖信號和方向信號，經(jīng)脈沖分配器以及細(xì)分電路產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)工作所需的各相脈沖信號，再通過光電耦合器和功率驅(qū)動電路對信號進(jìn)行放大，產(chǎn)生電機(jī)所需的激勵電壓并驅(qū)動電機(jī)工作。最后，步進(jìn)電機(jī)到達(dá)預(yù)設(shè)的位置后，通過安裝在電機(jī)上的軸角編碼器來反饋電機(jī)運(yùn)行的數(shù)據(jù)及電機(jī)的位置，并上報給現(xiàn)場控制中心，如果達(dá)到正確的位置，則停止動作，如果位置不正確，則重復(fù)計算脈沖再命令步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動。如圖3所示。

    準(zhǔn)值完成后(打靶時對圖像的采集、監(jiān)視過程是上述準(zhǔn)值過程的第一步過程)將圖像保存到現(xiàn)場控制中心，等待主控系統(tǒng)的調(diào)用。

4 采用網(wǎng)絡(luò)CCD的優(yōu)點(diǎn)
    首先，圖像包含的數(shù)據(jù)量非常大，在短時間內(nèi)傳輸多幀圖像會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)堵塞現(xiàn)象，造成圖像的丟失或傳輸錯誤，降低系統(tǒng)的可靠性，而該設(shè)計方案能有效避免這種現(xiàn)象；其次，該系統(tǒng)采用三層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，控制底層設(shè)備很多，位于網(wǎng)絡(luò)的較高層可靠性越高，也能降低網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)呢?fù)擔(dān)；再次，系統(tǒng)要求簡化設(shè)計，通過一個光纖收發(fā)器連接到現(xiàn)場交換機(jī)，成為現(xiàn)場以太網(wǎng)絡(luò)上1個結(jié)點(diǎn)，還可以減小由于系統(tǒng)的電磁干擾，避免影響圖像的質(zhì)量；最后，采集的數(shù)據(jù)可以直接通過光纖網(wǎng)傳輸給主控計算機(jī)，而不用通過FEP控制FEP，需要圖像時可以下指令給網(wǎng)絡(luò)CCD。故將網(wǎng)絡(luò)CCD作為一個智能終端，可以提高系統(tǒng)的可靠性和實時性。
    激光參數(shù)測量系統(tǒng)基于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計對網(wǎng)絡(luò)CCD要求有所提高，根據(jù)系統(tǒng)三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，所選CCD必須具有網(wǎng)絡(luò)接口。遠(yuǎn)場CCD和監(jiān)漂CCD采用北京微視公司的SG680DAM，近場CCD采用日本JAl公司的TM一2040GE，科學(xué)級CCD采用重慶港宇SGl024。

5 結(jié) 語
    在試驗過程中，網(wǎng)絡(luò)CCD通過1 000 MHz交換機(jī)連接到以太網(wǎng)，如果采用100 MHz交換機(jī)，將無法識別CCD。CCD圖像采集系統(tǒng)采用基于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計方法，將網(wǎng)絡(luò)CCD作為一個智能終端與以太網(wǎng)連接，獨(dú)立完成圖像的采集和處理，這樣，就使得控制系統(tǒng)具有靈活性，能減輕控制FEP的負(fù)載，提高系統(tǒng)的可靠性與可維護(hù)性。